以脉冲式TEA CO2激光器为光源将雾化水滴用作推进剂进行了激光推进实验研究.由力传感器测量得出的推力随时间的变化关系曲线得出了冲量耦合系数的大小.实验发现水工质激光推进冲量耦合系数的大小与雾化水滴的尺寸、速度等性能参数及其分布密切相关,水滴尺寸和速度越小,速度分布范围越集中,冲量耦合系数越大.

在高功率脉冲气体激光器中,用角隅反射镜作为全反镜,平行平面镜作为输出镜构成角隅全反镜谐振腔.对角隅腔激光器的输出特性和抗失调稳定性进行了研究,并与平凹腔和平平腔激光器进行了比较.实验结果表明:在角隅全反镜失调角为16 mrad时,角隅腔激光器的单脉冲输出能量下降9.2%,且近场输出光斑没有明显变化;而凹面全反镜失调角仅为0.4 mrad时,平凹腔激光器输出能量下降了9%,近场输出光斑严重变形.在输出镜正前方3.12 m处测量,当角隅镜偏转16.3 mrad时,激光器输出光斑与标准状态时的输出光斑重合;凹面全反镜失调角为0.4 mrad时,激光器输出光斑位移14 mm.经模式仪分析表明,角隅腔激光器近场光强分布均匀.

用光学湍流参数自动测量系统对内陆地区和沿海地区光学湍流内外尺度进行了大量的实验观测.分析了湍流尺度的日变化规律,给出了其频数分布.结果表明:两地内尺度的均值为十几mm,外尺度的均值约为2 m;内陆地区内尺度日变化趋势较为复杂,而外尺度的日变化趋势与湍流强度十分相似;沿海地区内外尺度与湍流强度均无明显关系.大气湍流尺度的大小和分布状态是随时间和空间变化的,因此,在估算实际大气湍流对光学系统的影响时,需要实测湍流尺度以便得到准确的结果.

对等衍射长度贝塞尔-高斯脉冲光束在色散介质中的时间和光谱特性作了研究,结果表明,通过选择适当的空间参数,贝塞尔-高斯脉冲光束沿轴上传输时,脉冲宽度不变.传输距离小于无衍射长度时,随衍射角增加,功率谱形状未变,脉冲波形保持不变;传输距离大于无衍射长度时,随衍射角增加,光谱由蓝移变为红移,脉冲展宽.

边界层的各向异性研究对于了解实际大气的湍流特性和经典理论的适用范围均具有较大的意义.利用室内水槽实验模拟了实际大气边界层,使用小波变换方法分析了对数光强起伏谱的特征,将获得的标度指数与理论值进行比较,结果表明混合层在水平方向较为接近各向同性,而垂直方向则呈现一定的各向异性.

根据弱湍理论,考虑湍流强度闪烁、孔径平均效应、湍流波前畸变及耦合系统跟踪误差的影响,导出了空间光到单模光纤的平均耦合效率及耦合功率起伏方差模型.根据Hufnagel-Valley 5/7折射率结构模型,对下行连接及上行连接的平均耦合效率及耦合功率起伏进行了研究.仿真结果表明,对于下行连接,随着地面接收天线孔径的增大,相对功率起伏先是由于孔径平均效应而减小,而后由于湍流波前畸变的影响而逐渐增大;对于上行连接,可忽略湍流波前畸变及孔径平均效应的影响.

通过数值模拟的方法,对高斯孤子在对数型饱和非线性介质中的相互作用进行了研究,考查了两光束间的相对振幅和相对相位对其相互作用的影响.结果表明:高斯孤子之间的相互作用敏感地依赖于两光束间的相对振幅和相对相位.在不同的振幅差异范围内,光束间的主要作用交替地表现为相互排斥和相互吸引,并由于高斯孤子的不稳定性,导致了光束在碰撞后以一种尺寸周期性变化的呼吸模式传输.随着相对相位的增大,两光束间始终持续地表现出强烈的排斥作用,直到相对相位增加到一个2π周期之后.而且碰撞之后,光束也都以呼吸模式进行传输,其分离的角度越大,呼吸就越明显.

从菲涅尔-基尔霍夫衍射积分公式出发,运用边界元法数值计算了平凹腔平面镜均匀反射率时倾斜和未倾斜情况下基模的场强分布、相位分布和本征值,同时与高斯反射率平面镜在腔镜倾斜时的情况做了比较.研究表明,腔镜倾斜使激光场模式分布沿发生倾斜的方向向镜边缘偏移,而且在腔镜倾斜较严重时模式分布发生畸变,不再是对称的高斯分布,基模本征值随倾斜角增大而变小,光束远场分布变差.同等条件下,高斯反射率平凹腔腔镜倾斜对谐振腔引起的模畸变小于均匀反射率平凹腔,且基模光场及本征值随镜倾斜的变化关系稍不同于均匀反射率平凹腔.

为研究激光熔凝层的磨损性能,在灰铸铁材料表面进行激光熔凝.以激光熔凝强化的灰铸铁为上试样,灰铸铁为下试样,模拟活塞环、缸套工作环境,进行标准的SRV快速磨损试验.利用表面形貌仪测量配副双方的磨损深度,扫描电子显微镜观察熔凝层、磨痕形貌.结果表明:激光熔凝层显微组织为先共晶奥氏体分布在共晶基底上的亚共晶,显微硬度变化范围在HV0.2800～HV0.21 200之间.上、下试样磨损深度分别为2.04 μm和1.35 μm,摩擦系数在0.072 8～0.082 2范围内变化,磨损机制为磨粒磨损.

用20 W光纤耦合LD作为泵浦光源,对Nd3+:YVO4微片进行了增益开关实验,获得了可控制变重复频率(1 Hz～25 kHz)的调Q激光输出.输出脉冲激光的宽度为16 ns,输出的峰值功率在几W.从速率方程出发进行了增益开关理论研究,通过数值解,分析了输出激光特性:当泵浦电流高于产生单脉冲的电流时,增加泵浦电流将在一个泵浦脉宽中出现多个激光脉冲输出;增加泵浦脉宽,将在一个泵浦脉宽中出现多个激光脉冲输出,泵浦脉宽越大,子脉冲个数越多;当增加重复频率时,输出与泵浦激光重复频率完全一致的激光脉冲,但也将在一个泵浦脉宽中出现多个激光脉冲输出.

为满足惯性约束聚变对ns级可整形激光脉冲的独特要求,提出了一种将多脉冲延迟堆积实现脉冲平滑和灵活整形的方案.这种方案基于多光束耦合器与压电陶瓷结合技术,采用光纤作为传输介质,可以精确控制相邻脉冲延时.详细分析和讨论了时延多脉冲叠加原理和叠加技术,给出了脉冲堆积时满足平滑要求的延迟时间(约为堆积所用高斯脉冲束腰宽度)和相邻脉冲间延时相位差所需的控制精度.

为了进一步深入理解掠入射驱动碰撞机制的特点与长处,以基频光正入射驱动为参照,用系列程序研究了6 μm和3 μm激光正入射驱动类镍银碰撞激发机制.在波长6 μm的激光正入射驱动下,激光能量直接沉积到增益区,大大提高了增益区的电子温度;以5 J驱动能量,获得有效增益系数为20.7 cm-1的高增益和有效增益长度积为41.4的深度饱和增益,与波长1.053 μm的正入射相比,以19%的驱动能量,使有效增益系数提高了60%.在波长3 μm的激光正入射驱动下,激光能量沉积到增益区附近,大大提高了增益区的电子温度;以15 J驱动能量,获得有效增益系数为21.2 cm-1的高增益和有效增益长度积为42.4的深度饱和增益,与波长1.053 μm的正入射相比,以57%的驱动能量,使有效增益系数提高64%.

对于高密度、导通时间为μs级的柱状等离子体开关,利用磁流体动力学理论(MHD),对其导通阶段的磁场穿透过程进行了模拟,得到了磁场分布随时间的变化;研究了开关导通过程中能量输运导致的温度不均匀分布对磁场穿透过程的影响.模拟结果表明:对于高密度等离子体开关,磁场以远大于磁扩散速率的速度穿透到等离子体中;在磁压对等离子体产生的压缩效应和欧姆加热效应共同作用下,激波区域的等离子体温度显著升高,这进一步加速了磁场穿透;当考虑能量输运方程时,开关导通时间为0.87 μs,比等温模型的结果0.92 μs短,与实验结果0.87 μs相一致.

为满足惯性约束聚变实验诊断的需求,需要在空心玻璃微球内充入DT燃料气体的同时充入一定量的Ar诊断气体,由于Ar原子尺寸较大,一般热扩散技术难以实现对玻璃微球充Ar.为解决充Ar问题,研究了不同反应堆中子注量对玻璃微球的改性作用.测试结果表明:当中子注量达到1×1018 cm-2时,在500 ℃和室温情况下都可以向玻璃微球内充入Ar.辐照增强扩散后的扩散系数高于3.6×10-13 cm2/s.

在"神光-Ⅱ"装置上进行先进高能多功能激光束系统(简称第九路)研制工程中,由于在原ICF靶室上又增加了输入"汤姆逊探针光"和"X光背光照明探针光"的锥形真空套筒及其终端光学元件,导致原有靶室结构的变化,可能会引入新的不稳定因素.通过有限元分析方法,建立有限元分析模型,进行优化设计.通过位移传感器测量结果可知,第九路终端光学元件径向窜动所引起的打靶误差最大值为2.110 μm,小于"神光-Ⅱ"靶场终端光学系统的最大允许误差值7.785 μm.

用傅里叶变换的方法分析了锁模激光器中模式间的相位和振幅涨落对锁模脉冲列特性的影响.将锁模激光器中各模式的相位和振幅涨落作傅里叶展开,再通过增益谱抽样的傅里叶变化得到其时域行为.分析结果表明振幅系统涨落及随机涨落均不引起脉宽的明显变化,只引起脉冲间背景的加大,但相位涨落随机会使脉冲列强度产生波动.所用物理图像简明,结果对获得稳定的锁模脉冲列的实验研究有参考意义.

具有材料理论密度的金属薄膜对于材料高压状态方程(EOS)研究而言具有重要的意义.本文提出采用金刚石车削技术,利用超精密金刚石车床、金刚石圆弧刀具及真空吸附夹持技术,对纯铝和无氧铜进行端面车削,完成了EOS实验用铝薄膜和铜薄膜的车削加工,实现了薄膜密度接近材料理论密度.精加工工艺参数为:进给量0.001 mm/r,主轴转速3000 r/min,切削深度1 μm.采用Form Talysurf series 2型触针式轮廓仪进行测量,结果表明:铝薄膜、铜薄膜厚度可以达到小于10 μm水平,表面均方根粗糙度小于5 nm,原始最大轮廓峰-谷高度小于50 nm,厚度一致性好于99%.

对不同尺寸圆波导TE11模,以及TE11和TM01不同比例混合模式的辐射情况进行了模拟研究,得到了E面、H面功率方向图,通过高功率微波远场测量常采用的假设方向图对称的方法,计算出E面、H面方向性系数,并与模拟得到的方向性系数进行对比.结果表明:TE11单模及TE11模与功率占5%,10%的TM01模混合情况下,H面方向性系数与模拟得到的方向性系数最大差值小于0.8 dB,E面方向性系数与模拟值最小差值大于1 dB.因此,在这些情况下,H面方向性系数更接近于方向性系数,采用H面方向性系数计算功率结果更接近实际值.

对无耗和有耗介质中的完全匹配问题进行了研究,将广义完全匹配吸收层(GPML)应用到时域多分辨分析(MRTD)中.GPML是在扩展坐标系下由Maxwell方程得到的,在MRTD中实现对GPML的求解,并在频域对GPML进行了有效性分析,得出了GPML在不同空间步长和不同吸收层厚度情况下入射波由真空入射到吸收层的反射系数在频域的分布,并给出了有耗介质中GPML吸收效果的例子.结果表明,GPML的反射系数在一定频率范围内小于-40 dB,且随着计算空间步长的减小和吸收层厚度的增加而减小.GPML既可以用来截断无耗介质也可以用来截断有耗介质,为时域多分辨分析方法提供了一种较为通用的吸收边界.

设计了一个具有新型收集极的X 波段磁绝缘线振荡器,并利用KARAT程序对其进行了深入的数值模拟研究.对设计思想进行了介绍,并对典型模拟结果进行了图示和分析.当工作电压为520 kV, 电流为64 kA时, 模拟中获得了2.18 GW的微波输出功率,频率为9.3 GHz,功率转换效率为6.5%, 辐射微波的主模式为TEM模.

利用网络分析仪,根据需要在设定的频率范围进行扫频测量,网络分析仪的端口1输出的微波信号经过微波传输转换器进入与待测非标准元件匹配连接的连接段(如波导);网络分析仪的端口2连接定向耦合器,用于监测传输段内的反射微波信号.首先,在非标准接口端面连接短路面,通过网络分析仪测量反射信号在设定频点的相对幅度值;然后去掉短路面,在非标准接口端面连接待测元件,再次测量反射信号在特定频点的相对幅度值;最后根据本文推导的公式得出驻波系数.该方法的测量误差与定向耦合器的方向性(方向性系数越大越好)和待测元件驻波系数有关.将该方法运用在非标准接口匹配负载驻波系数的测量中,定向耦合器方向性系数取为40 dB,测得其驻波系数小于1.2,误差小于20%.该方法简便可行,可以用于测量常用的非标准接口元件尤其是非标准低驻波系数元件?淖げㄏ凳?

利用自行研制的固态半导体开关RSD,采用电容储能方式,研究了RSD的电压响应时间、大电流特性、电流上升率等.在测试RSD的电压响应时间时,得到了25 ns的电压下降曲线.在主电容电压为8 kV时,得到峰值为10.1 kA、脉宽为34 μs、电流上升率为2.03 kA/μs的大电流脉冲.通过调整主电路,在主电容为3 kV时,得到的电流脉冲峰值为8.5 kA、脉宽为2.5 μs、电流上升率为7.2 kA/μs.结果表明,RSD是一种开通快、通流能力强、电流上升率高的大功率半导体开关器件.

介绍了紧凑型Tesla变压器的工作原理和功能特点,在此基础上对电压1.0 MV、重复频率100 Hz的Tesla变压器和阻抗40 Ω、宽度40 ns的脉冲形成线(PFL)进行了一体化结构设计.用Tesla变压器的两个同轴开环铁芯作为PFL的内外导体,将传统的形成线结合在Tesla变压器中,从而脉冲发生装置具备了体积小、效率高、性能稳定等特点.设计的紧凑型Tesla变压器在CHP01电子束加速器上实现了对600 pF的PFL单次充电电压达到1.3 MV、重复频率100 Hz、平均电压1.15 MV的技术指标,该变压器在其额定电压和频率下的连续运行时间达到5 s以上.

电子束流寿命是个很重要的指标,直接影响合肥光源的正常运行,为此研究了影响束流寿命的因素,测量了高频腔压、耦合度以及束团长度对电子束流寿命的影响,研究显示合肥储存环的电子束流真空寿命和托歇克寿命相当;并且利用束损系统测量了因托歇克寿命的变化而造成束流损失的相对变化;通过增加耦合度增加束流的垂直发射度,有效地提高了束流的寿命,保证了合肥光源的正常运行.

基于激光等离子体和过电压波击穿原理研制了应用于高功率"Z-pinch"装置的22级5 MV激光触发多级多通道开关,采用钳位环技术解决了狭小空间的匀场问题,过压自击穿间隙场分布不均匀度约为0.080,激光触发间隙场分布不均匀度约为0.056,由绝缘部件沿面电场强度决定的系统安全系数约为0.8.根据J.C.Martin公式和静电场分析计算结果,解决了高功率"Z-pinch"装置主开关及开关区的工程设计问题.

给出了电爆炸丝1维磁流体模型的具体描述和基本方程,并利用数值方法求解.通过对含电爆炸丝断路开关的电感储能脉冲功率电路模型的计算,给出了电爆炸丝电流、电压随时间的变化,以及电爆炸过程中丝的密度空间分布,膨胀半径随时间的变化,讨论了电爆炸丝长度和初始电压对电爆炸丝电流、电压的影响.

汤姆逊硬X射线源中,光阴极微波电子枪要求触发激光脉冲与腔中微波场相位的精确时间同步.理论分析了锁模脉冲激光器相位噪声,探讨了对激光脉冲相位探测和控制的方法,并通过实验构建了激光相位抖动测量系统和锁相环稳频回路,用基频鉴相信号驱动压电陶瓷晶体改变谐振腔长,实现了从开环3.42 ps到闭环1.46 ps的均方根相位抖动的测量和控制.

制备了含多芳氨基甲烷类化合物的高分子变色薄膜,经紫外线辐照后,这种薄膜随吸收剂量的不同由无色透明逐渐变为绿色,在可见光区主要吸收峰位于626 nm附近,光密度响应与辐照时间近似成线性关系.研究表明:该辐射变色薄膜变色响应随紫外线能量密度增加而增加;分次辐照能略微提高光密度响应;辐射变色薄膜响应受温度和湿度影响较大,在20～50 ℃温度范围、40%～60%相对湿度范围,响应基本稳定;卤代物添加剂可以大大提高辐射变色薄膜的响应灵敏度;受后辐照效应影响,辐照结束最初2 h内响应迅速增加,2 h后响应才基本稳定.

依据洛斯·阿拉莫斯国家实验室的质子照相概念,通过研究高能质子与物质的相互作用规律,给出了质子照相确定面密度的计算公式及其不确定性分析,阐述了质子照相鉴别材料组分的原理.相对于X光照相,质子通过面密度较大的物体后的通量明显增加,界面探测和密度重建更加准确.研究了多库仑散射和磁透镜系统的色散对质子照相空间分辨率的影响及解决途径.结果表明,高能质子照相在穿透能力、面密度测量、材料的组分识别、空间分辨率等方面都优于X光照相.

利用飞行时间质谱仪,研究了功率密度为109～1011 W/cm2,波长为532 nm 的纳秒激光对苯、呋喃、甲醇及碘甲烷分子团簇的激光电离过程.实验观察到了高平动能的高价离子Cq+(q≤3),Oq+(q≤3)和Iq+(q≤4),该过程经历了以"初始的多光子电离引发-逆轫致吸收加热-电子碰撞电离模式"为主的激光团簇作用过程,后期经历了团簇的库仑爆炸过程.实验发现:即使激光能量变化一个量级以上时,主要高价离子的种类及占全部离子产物的比率也没有明显的变化,但是高价离子的初始平动能随激光强度的增大而增加;分子中含有较多个外壳层电子的氧、碘原子更容易电离产生高价离子,而碳离子的价态和强度相对较低.

讨论了Actel公司的FPGA芯片A1280XL在有偏置和无偏置条件下的γ电离总剂量效应,试验结果表明偏置条件对FPGA芯片电离总剂量效应有较大影响,在有偏置下FPGA芯片A1280XL失效阈最小,为12.16 Gy(Si);无偏置时FPGA失效阈最大,为33.2 Gy(Si).对芯片内部结构进行了辐射效应分析,并提出一些加固方法提高器件的抗总剂量能力,如电路设计中采用冗余技术来实现对故障的检测和隔离,以及选取适当的屏蔽材料对器件进行屏蔽.

利用多组态Dirac-Fock(MCDF)方法,通过对Xe9+离子4d9-4d85p跃迁的系统计算,研究了电子相关效应对Xe9+离子4d9-4d85p跃迁的影响,给出了相应的跃迁能和辐射跃迁几率,并与最新的实验观测和其它理论计算结果进行了比较.计算结果表明:电子的关联效应显著.根据计算结果和实验结果的一致性和两个规范下所得的跃迁几率的一致性,可以认为本文的计算结果是可信的.

在1 MV水介质自击穿开关降压实验的基础上,设计了用于脉冲功率装置的水介质输出开关,设计的最高运行电压为4 MV,放电电流600 kA.4 MW水介质自击穿开关为同轴-三平板结构,由输入输出电极、预脉冲屏蔽板和连接部件组成.在结构设计中拟使用电流线圈测量每个通道的放电电流,用开关前后传输线上靠近开关端的D-dot测量开关的输入输出电压.对开关间隙进行了2维和3维静电场分析,结果发现二者差别较大,3维静电场分析应该更接近实际电场分布.

利用脉冲高压陶瓷电容器和高气压小间隙开关,研制了60 kV同轴式高压快沿脉冲源.利用自行研制的薄膜式电容分压器和同轴式电阻分压器对快沿脉冲源的输出参数进行测量,分析了薄膜式电容分压器的测试原理,对电容分压中二级电阻分压器元件的参数进行了优化.当脉冲源负载为50 Ω时,测得脉冲源输出电压的前沿小于2.3 ns,半高宽约28 ns,符合IEC电磁脉冲的最新标准.

介绍了一种用于脉冲功率装置真空绝缘子的环氧树脂基复合材料的研制机理、制备过程和典型性能.初步测试结果表明,添加一定量的水合氧化铝颗粒可以使环氧树脂材料的表面电阻率由5×1016 Ω降低为6×1011 Ω,这一特性有利于释放由于沿面闪络等原因沉积在真空绝缘子表面的电荷,从而使材料在脉冲电压下的沿面闪络电压有所提高,实验得到在上升沿400 ns的脉冲电压作用下, 沿面闪络电压可从17 kV 提高到 28 kV.

在Z-pinch实验物理诊断中使用底片记录1维时空分辨X光功率图像,利用模拟底片能量响应曲线对实验获得的X光功率图像进行了变换,以闪烁体X光功率谱仪获得的X光波形为参考,将变换后的图像沿空间轴积分,并将所得波形与参考波形相比较,两条曲线基本一致,表明所使用的模拟能量响应曲线具有较好的近似效果.

实现惯性约束聚变(ICF)和高产额(high yield,HY)要求脉冲驱动电流峰值达到约60 MA,采用类似SATURN和Z装置等传统的技术途径进一步提高驱动电流,从装置造价、结构复杂性和运行可靠性等方面看都具有相当大的难度,因此,需要发展新的短脉冲大电流驱动源技术,解决快Z箍缩技术发展的瓶颈.概述了国际上快Z箍缩驱动源技术的研究现状和趋势,介绍了有代表性的ICF/HY等离子体辐射源(plasma radiation source 简称PRS)或威胁级大型X射线模拟源初步概念设计、拟采用的技术途径,如俄罗斯大电流所(HCEI)基于FLTD(fast linear transformer driver)技术的直接驱动源、美国基于FLTD的新SATURN驱动源和基于FMG(fast Marx generator)技术的快Z箍缩驱动源,提出了快Z箍缩直接驱动源需要发展的关键技术.

直径小于7 μm的超细钨丝是制备Z-pinch丝阵负载的主要原料,为了满足Z-pinch物理实验需要,利用电解腐蚀法原理,制备出了直径最小为3.0 μm的超细钨丝.研究了电解液温度、电解液质量分数、电解电压和收丝速度等工艺条件对钨丝的影响,并用扫描电镜、原子力显微镜和万能测力计测试了所制备钨丝的直径、形貌及抗拉强度.实验表明,电解电压和收丝速度是影响钨丝腐蚀速度的主要因素,所制备的钨丝表面光滑,均方根粗糙度为2.42 nm,直径为3.5 μm的钨丝其抗拉强度为2.32 g.利用这种方法所制备的超细钨丝已用作Z-pinch丝阵负载的靶材料,取得了很好的物理实验结果,X光能量已达到36.58 kJ.

根据电磁场基本理论及电子运动守恒方程,导出平板、圆柱、圆锥和圆盘这4种常用传输线的横向空间电荷流的数值模型和磁绝缘临界条件.通过数值模拟得到:传输线的电压越高,无磁场的横向空间电荷流越大,但是磁缘性能却越显著;若分别增大圆柱、圆锥的几何结构因子,既有助于减小它们的无磁场横向空间电荷流又有助于增强它们的磁绝缘性能;对于圆锥,若电极夹角较大,内电极的极角较小,则对减小无磁场空间电荷流和增强磁绝缘性也有一定好处.